Väljajoone

Magnetvälja jõujooned illustreerivad magnetvälja. Neil on siiski ka tõeline füüsikaline tähendus, sest jõujoonte tihedus näitab magnetiliste jõudude tugevust ja jõujoonte suund näitab magnetiliste jõudude suunda. Kui puistata paberile raudpulbrit ja selle all on magnet, siis paigutuvad raudterad joonekujuliselt ning näivad magnetvälja jõujooni otsejoones esile toovat.

Kuidas kulgevad magnetvälja jõujooned?

Jõujooned kulgevad alati magneti põhjapoolusest lõunapooluse suunas. Jõujooned ei lõpe siiski lõunapoolusel, vaid liiguvad magneti sees materjali kaudu tagasi põhjapooluse poole.

Põhjus on selles, et magnetväljal ei ole allikaid ega neeldajaid. Ei ole ainet, millest magnetvälja jõujooned vaid välja voolaksid ilma tagasi sisenemata, ega vastupidi. Füüsikaliselt tähendab see, et ei ole olemas magnetilisi laenguid, nagu näiteks positiivne või negatiivne elektrilaeng. Ainult sellistest allikatest lähtudes kulgeksid magnetvälja jõujooned sirgjooneliselt.

Kas magnetvälja jooned on iseenesest suletud?

Magnetvälja B-jooned on suletud jooned ilma alguse ja lõputa, kuid need võivad ka lõpmatusse hääbuda. See tuleneb sellest, et magnetväli on pöörisväli, nagu kirjeldavad matemaatiliselt Maxwelli võrrandid. Kuna eraldiseisvaid magnetlaenguid ei ole, puudub punktallikas, millest magnetvälja jooned „välja jookseksid“, nagu laengute puhul.

Magnetvälja jooned: olulised magnetite jõumõju kaalumisel

Väljajoontel on tähtsus magnetite jõumõju kaalumisel. Kui kujutada seda jõumõju väljajoontena, siis kehtib, et magneti jõud väikese proovimagneti suhtes mõjub väljajoone puutuja suunas. Lisaks on jõu tugevus võrdeline väljajoone tihedusega proovikeha piirkonnas. Kui konstrueerida geomeetriliselt väljajoone ja vaadelda nende tihedust, saab väljajoone abil hinnata magneti jõudu kindlate vahemaade korral proovimagnetist või ferromagnetilisest materjalist. Vastupidi, väljajoone kuju saab tuletada füüsika jõu- ja energiateoreemidest.

Magnet ferromagnetilisel pinnal: väljajoone kulg

Kui viia magneti põhjapoolus ferromagnetilise materjali (nt raua) lähedusse, tungivad väljajoone sellesse materjali. See peab nii olema, sest ka raud magnetiseerub. Raud seab magneti põhjapoolusele vastu oma magnetiseerumisest tekkinud lõunapooluse, nii et magneti põhjapooluse väljajoone näitavad otse magnetiseeritud raua lõunapooluse suunas. Rauakeha tagaküljel või, üldisemalt, magnetiseeritud raua põhjapooluse piirkonnast lähtudes kulgevad väljajoone seejärel tagasi magneti lõunapooluse poole.

Miks kulgevad magnetvälja jooned põhjast lõunasse?

Magnetvälja joonte suund, s.t kokkulepe, et need kulgevad põhjapooluselt lõunapooluse suunas ega vastupidi, on füüsikaline konventsioon. Teaduslikult saab põhjendada vaid seda, et peab olema kaks poolust. Milline neist on põhjapoolus ja milline lõunapoolus, on lihtsalt kokkuleppeline määratlus.

Miks jõujooned ei ristu?

Jõujooned on füüsikas fundamentaalne mõiste, mis loodi elektri- ja magnetväljade ning ka gravitatsiooniväljade nähtamatute jõudude visualiseerimiseks. Need toimivad abstraktsete esitustena, mis näitavad nende väljade suunda ja tugevust ruumi erinevates punktides. Põhimõte, et jõujooned ei ristu, põhineb loogilisel eeldusel, et antud ruumipunktis saab valitseda ainult üks selge ja üheselt määratud jõumõju.

Tegelikkuses ei eksisteeri jõujooned füüsiliselt; need on pigem teadlaste ja inseneride abivahend, et kirjeldada ja analüüsida väljade omadusi. Arusaam, et jõujooned ei lõiku, põhineb väljade matemaatilisel kirjeldusel vektorväljadena. Vektorväljas on igale punktile omistatud vektor, mis näitab selles punktis mõjuva jõu suurust ja suunda. Nende vektorite ainulisus igas punktis tähendab, et on võimatu, et samas kohas esineks ferromagnetilistele osakestele mõjuva resultantjõu kaks erinevat suunda (jõujooned esindavad jõumõju), ilma et rikutaks vektoranalüüsi aluspõhimõtteid.

See kontseptsioon ei aita üksnes väljade omaduste visualiseerimisel ja mõistmisel, vaid võimaldab rakendada ka matemaatilisi ja füüsikaseadusi, näiteks Gaussi seadust elektri ja magnetismi jaoks või Newtoni gravitatsiooniseadust. See võimaldab teha täpseid ennustusi osakeste käitumise kohta nendes väljades ja on aluseks tehnoloogiliste rakenduste arendamisele alates elektrimootoritest kuni satelliitide orbiitideni.

Kokkuvõttes on jõujooned füüsikas hädavajalik tööriist, mis muudab abstraktsed mõisted käegakatsutavaks. Reegel, et need ei ristu, peegeldab füüsikaseaduste üheseltmõistetavust ja kooskõlalisust, isegi kui jõujooned ise on vaid mudelipõhine kujutis.

Väljajooned kujutavad elektromagnetväljades seega jõu suunda, mis mõjub ferromagnetilistele materjalidele (magnetväljade puhul) igas ruumipunktis. Need ei ristu, sest igas ruumipunktis on jõul üheselt määratud suund. Kui väljajooned ristuksid, tähendaks see, et selles ristumispunktis oleks osakesele mõjuval resultantssel magnetjõul kaks suunda korraga, nii et osake võiks juhuslikult liikuda kahte eri suunda – mis makroskoopiliste objektide puhul füüsikaliselt ei kehti. Kui erinevad jõud kattuvad, tekib resultantne jõud, mis saadakse nende kahe „osajõu“ vektoriaalse liitmise teel. Väljajoon osutaks siis selles kohas selle resultantse jõu suunas. Jõuvektorite üheseltmõistetavus igas punktis tagab, et väljajooned kulgevad alati paralleelselt ega lõiku. See põhimõte aitab mõista ja visualiseerida jõuväljade pidevat ja järjekindlat olemust.

Magnetvälja joonte nähtavaks tegemine

Rauapuru abil saate muuta magnetvälja jooned nähtavaks. Rauapuru paigutub magnetväljas joonelisteks struktuurideks. Selliste katsete jaoks kasutatakse meelsasti silindermagneteid või hobuseraua kujulisi magneteid. Allpool leiate mõned sobivad tooted supermagnete veebipoest.

Põnevatest katsetest leiate inspiratsiooni projektist Jõujooned 3D-s või allpool lingitud videost.